Phase-Inversion Polymer Composite Separators Based on Hexagonal Boron Nitride Nanosheets for High-Temperature Lithium-Ion Batteries

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作者
Ana Carolina Mazarin de Moraes,Woo Jin Hyun,Norman S. Luu,Jin‐Myoung Lim,Kyu-Young Park,Mark C. Hersam
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (7): 8107-8114 被引量:73
标识
DOI:10.1021/acsami.9b18134
摘要

By preventing electrical contact between anode and cathode electrodes while promoting ionic transport, separators are critical components in the safe operation of rechargeable battery technologies. However, traditional polymer-based separators have limited thermal stability, which has contributed to catastrophic thermal runaway failure modes that have conspicuously plagued lithium-ion batteries. Here, we describe the development of phase-inversion composite separators based on carbon-coated hexagonal boron nitride (hBN) nanosheets and poly(vinylidene fluoride) (PVDF) polymers that possess high porosity, electrolyte wettability, and thermal stability. The carbon-coated hBN nanosheets are obtained through a scalable liquid-phase shear exfoliation method using ethyl cellulose as a polymer stabilizer and source of the carbon coating following thermal pyrolysis. When incorporated within the PVDF matrix, the carbon-coated hBN nanosheets promote favorable interfacial interactions during the phase-inversion process, resulting in porous, flexible, free-standing composite separators. The unique chemical composition of these carbon-coated hBN separators implies high wettability for a wide range of liquid electrolytes. This combination of high porosity and electrolyte wettability enables enhanced ionic conductivity and lithium-ion battery electrochemical performance that exceeds incumbent polyolefin separators over a wide range of operating conditions. The hBN nanosheets also impart high thermal stability, providing safe lithium-ion battery operation up to 120 °C.

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